非对称铺层复合材料层合板质量优化设计

复合材料广泛应用于航空航天等领域,追求轻量化设计已经成为研究重点。对复合材料层合板质量优化设计,可以减少层合板的纤维用量,减小层合板的质量,降低成本。首先研究复合材料层合板在承受轴向载荷时,产生的形变量、应力示意图,分析容易发生失效部位;以层合板铺层厚度为设计变量,最大应变、铺层比例等为约束条件,最小化层合板质量为优化目标,对碳纤维复合材料层合板铺层厚度等设计变量进行优化,利用强度理论对优化结果进行校核,结合力学试验对比分析优化前后层合板力学性能。结果表明:碳纤维复合材料层合板经过优化后,总质量减轻约16.7%,优化后的层合板满足复合材料强度理论,实验结果与软件仿真具有一致性,说明优化方法是合理可靠的。     

三维粘弹性复合材料层合板固化残余应力研究

应用改进的有限元算法,综合考虑了碳纤维复合材料固化过程中树脂的化学收缩、应力松弛、材料的热收缩,建立了一个基于三维线性粘弹性的积分模型对复合材料层合板热压罐成型工艺过程中产生的残余应力进行了研究。结果表明:本文提出的方法能够完整地模拟树脂的固化过程并计算层合板的固化残余应力;对于文中的正交对称层合板而言,热收缩是影响残余应力大小的主要因素;固化完成后,0°铺层内的中面中心区域层间残余应力值接近于0,边缘区域会迅速增加,容易发生分层破坏;任意点处,轴向应力比其他两个方向的应力高出1~2个数量级;残余应力值沿厚度方向有较大变化;树脂的应力松弛行为会在一定程度上降低残余应力。     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

层合板界面层的弹簧界面元等效刚度计算模型

弹簧界面元是一种最常用的层合结构界面脱层数值模拟的计算模型.但目前对应于给定的复合材料层合板界面层,弹簧界面元的长度和等效刚度的确定却没有严格的方法,所以时常因为弹簧元刚度定义的不当而导致脱层数值模拟结果的不稳定甚至计算困难.本文给出了一种基于层合板粘接层的实际厚度和材料特性确定弹簧界面元的长度和等效刚度的计算模型.通...     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

含铺层拼接层合板的剪切强度

对含铺层拼接的碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了剪切强度实验研究.从三种不同铺层拼接角层合板上切取含缺口的剪切试件,通过实验测定了其载荷-位移曲线,得到了剪切强度值.实验结果表明,三组试件的剪切强度基本相同,即拼接层角度改变几乎不会引起层合板的剪切强度发生明显变化.采用有限元软件ABAQUS6.5对实验过程进行模拟,得到拼接层角度改变将引起拼接层中0°层出现切应力集中,但沿缺口切应力的平均值几乎不变.这也说明拼接层角度的变化几乎不影响层合板的剪切强度.     

基于树脂层强度预测分层萌生载荷

 轴向拉伸下的层合板在自由边缘附近存在奇异应力场，容易产生分层萌生进而导致结构破坏．而大多数基于材料力学方法的分层萌生研究对强度参数的确定有较强的主观性，缺乏合理解释．本文通过在层间插入一定厚度的树脂层，将分层萌生视为层间树脂层在三维应力状态下的强度破坏，根据有明确试验标准的树脂强度和Mohr 判据判断是否发生分层萌生．采用Pipes-Pagano 的均匀轴向拉伸模型计算应力场，对层间应力与树脂层面外应力进行了对比．取临界长度为4 个单层板厚度对T800/914 层合板的分层萌生进行了预测，结果表明预测值与实验值吻合良好．     

湿热环境对挖补修理后复合材料层合板振动特性的影响

通过对湿热环境下阶梯挖补胶接修理后碳纤维/双马树脂(T300/QY8911)层合板振动特性的分析,探究了挖补修理后碳纤维/双马树脂层合板在不同湿热效应下的振动特性。基于Mindlin-Reissner板理论与最小势能变分原理,在考虑湿热效应前提下,推导了正交各向异性复合材料层合板的本构关系及四边简支条件下的自由振动控制方程;其次,利用ABAQUS软件建立了三维黏弹性有限元挖补修理模型,应用Fortran语言将湿热耦合下的应力-应变本构关系编入UMAT二次开发文件中,采用三维八节点五自由度等参单元进行了离散。通过与参考文献对照,验证了胶接修理后T300/QY8911层合板有限元模型和编译的湿热环境下UMAT子程序的合理性与有效性。算例结果表明:湿热环境对挖补修理后层合板固有频率的影响比对完整层合板严重;温度对材料性能的影响大于湿度;相比于材料性能变化对振动特性的影响,湿热残余应力对胶接修理后层合板振动特性的影响占主导;参考环境下,胶接修理后层合板的固有频率增大;湿应力对层合板固有频率的影响大于热应力。     

树脂基体性能对纤维缠绕复合材料结构强度影响的研究

实验发现不同树脂基体配方对纤维缠绕复合材料压力容器的水压爆破强度有高达20～35%的影响。本文认为在容器前、后封头上观察到的分层现象是造成这种强度显著波动的主因,并用有限元分析进行了验证。计算结果表明层间剪切应力是引致分层的主要因素,进一步的实验发现基体的层间剪切强度(interlaminar shear strength,简称ILSS)与容器性能之间有很好的相关性。     

半共格界面铜镍双层膜力学差异机制纳观探析

为深入了解纳米金属多层膜在沉积法交替制备中, 因晶格失配制备出不同半共格界面的金属多层膜受载诱导的力学特性差异的机制，本文作者基于经典力学的分子动力学法，对半共格Cu基Ni膜和Ni基Cu膜两种界面结构的力学性能展开探析，揭示出多层膜半共格界面失配位错网与压痕诱导产生可动位错的相互作用规律. 研究发现: 铜镍双层膜半共格界面结构可有效提升力学性能，归因于铜镍半共格界面受载产生的柏氏矢量Shockley分位错的差异. Cu基Ni膜半共格界面上的失配位错网对压痕中产生的可动位错表现为排斥，有利于位错穿透半共格区域进入铜基中，对外表现为强化作用；Ni基Cu膜半共格界面上的失配位错网对压痕中产生的可动位错表现为吸引，阻碍位错穿透半共格区域进入镍基中，对外表现为软化作用，增强了材料抵抗变形的能力、耐磨性和韧性. 该性质差异可用Koehler提出的两种不同材料模量间镜像力理论解释. 此研究结果对铜镍多层膜作为涂层应用于微机电系统、海洋装备和航空航天等重大战略领域有着重要理论指导意义与借鉴价值.      

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为.采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象.在弹性-粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究.结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值.并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合.     

复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。     

Cu/Ni多层纳米线力学性能尺寸效应的分子动力学模拟

Cu/Ni多层纳米线因其特殊的结构和优异的物理性能在微/纳电子机械系统(MEMS/NEMS)中有广泛的应用.本文利用分子动力学方法模拟了Cu/Ni多层纳米线的拉伸变形,研究了纳米线屈服应力的尺寸效应,探讨了界面结构的差异对多层纳米线缺陷演化机制的影响.结果表明,带共格界面多层纳米线的屈服应力随单金属层厚度h的减小先升高...     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

具损伤压电智能层合板的动力分析

基于应变能等效原理、高阶剪切变形理论和Hamilton变分原理,考虑复合材料铺设层内的损伤效应,建立了具损伤压电智能层合板的运动控制方程,并运用Galerkin方法进行求解.数值算例中,讨论了损伤效应、厚跨比及压电层厚度与层合板总厚度之比对四边简支压电智能层合板自由振动频率的影响和外部控制电压对其动力响应的影响.     

基于响应面法的纤维金属层合板抗弹性能优化设计

纤维金属层合板因其复合材料的各向异性和层合结构特征而具有较好的可设计性，开展金属纤维层合板的优化设计研究对其力学性能的增强和轻量化具有重要意义。为提高纤维金属层合板的抗弹性能，基于响应面分析法对纤维金属层合板的铺层方向和铺层厚度进行了优化设计。采用Box-Behnken方法进行方案设计，以纤维金属层合板各铺层相对厚度比为设计变量，以结构的比吸能为设计目标，根据设计的方案进行参数化建模获取样本点，在对设计样本进行方差分析和参数估计的基础上，建立了结构比吸能的响应面模型并验证了其精确度。采用遗传算法对响应面方程进行寻优分析，通过显式动力学计算程序ABAQUS/Explicit验证优化效果。最终，在最优的铺层方案下，层合板的质量减小了11.70%，能量吸收增加了19.40%，抗弹性能显著提升。     

稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响

采用CSEM THT07-135高温摩擦试验机,研究了不同温度下碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为,重点考察了稀土改性对复合材料摩擦学性能的影响.结果表明;稀土改性处理可以提高复合材料在测试温度范围内的减摩耐磨性能.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纤维改性前后的形貌进行分析,发现稀土溶液对纤维表面具有一定的刻蚀作用,进而提高了其比表面积;通过XPS测试分析,发现改性后的碳纤维表面的O、N含量增加,从而提高了纤维表面的极性,最终提高了纤维与树脂间的界面结合强度和材料的耐磨性能.     

考虑内部损伤影响的层合板最终强度预测

层合板强度分析若只考虑面内失效而忽略自由边界处的分层失效,往往会高估强度值,得不到合理的预测结果.该文提出了一种层合板强度的数值分析方法,综合考虑了层合板的面内失效(基体失效和纤维断裂)以及层间分层失效.采用有限元方法对层合板进行结构分析得到板的应力响应,结合面内失效判据和分层失效判据对层合板各个单层进行失效判断,采用刚度退化和逐步失效方法求得层合板的最终失效强度.与以往方法相比,该文模型和方法考虑的因素更全面.数值算例表明该方法预测得到的最终失效载荷和分层起始载荷和已有文献实验结果一致.     

多壁碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的摩擦磨损性能研究

采用浇铸法,利用超声分散制备了多壁碳纳米管(MWNTs)/环氧树脂(EP)纳米复合材料,研究了MWNTs的添加量及分散程度对复合材料表面形貌和摩擦磨损性能的影响,并探讨了影响MWNTs/EP复合材料摩擦磨损性能的因素.结果表明:随着MWNTs加入量的提高(1%～4%),复合材料的摩擦系数和磨损率均呈现降低趋势,摩擦系数由0.60降到0.22,磨损率由1.11×10-4mg/(N·m)降为2.22×10-5mg/(N·m);在MWNTs添加量(1%)相同的情况下,MWNTs分散程度高的复合材料的摩擦性能更好.纯环氧树脂与45#钢对摩时发生粘着磨损和疲劳剥落,而由于MWNTs的增强和自润滑作用,MWNTs/EP复合材料的粘着磨损和疲劳剥落显著减轻.